平面爆炸波加載裝置技術(shù)研究*

尹華偉,張 料,段金曦,劉利民

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410082；2.湖南湖大土木建筑工程檢測有限公司，長沙 410082；3.國防科技大學(xué) 軍事基礎(chǔ)教育學(xué)院，長沙 410073；4.湖南澤天傳感科技有限公司，長沙 410073)

爆炸荷載由于在極短時間內(nèi)，產(chǎn)生的高溫高壓氣體以極高的速度膨脹，釋放出大量能量，產(chǎn)生的沖擊波的傳播速度極快，同時破壞性極強；汽車工程、建筑工程、國防軍事等專業(yè)的專家學(xué)者都很重視材料在極端爆炸荷載加載下的防撞、抗爆、吸能等性能的材料研究，平面爆炸波加載裝置能夠?qū)⑶蛎姹úń?jīng)網(wǎng)狀格柵濾波[1]，再經(jīng)導(dǎo)波管多次反射，形成加載速率一致的平面爆炸波。

為了研究工程材料在低、中應(yīng)變率加載下的材料沖擊性能[2,3]，落錘試驗和霍普金森實驗等在中低速沖擊實驗中備受專家學(xué)者青睞，但是在極端爆炸荷載作用下，來測試材料的動態(tài)響應(yīng)，因爆炸實驗本身的可控難度大，反應(yīng)時間極快，物質(zhì)爆炸的燃燒速度為爆轟時能在爆炸點突然引起極高壓力，并產(chǎn)生超音速的“沖擊波”[4-6]。在極短時間內(nèi)發(fā)生的燃燒產(chǎn)物急速膨脹，像活塞一樣擠壓其周圍氣體，迅速傳播并能遠離爆轟的發(fā)源地而獨立存在，為了更加精準可靠的測得有效實驗數(shù)據(jù)，設(shè)計一套平面爆炸波加載裝置，用于更好的分析動態(tài)荷載下的動態(tài)響應(yīng)、應(yīng)力波的傳播規(guī)律、能量耗散分析及試件破壞的機理[7-9]。

本文設(shè)計了一套能精準測量在爆炸荷載作用下有效動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)的平面爆炸波加載裝置，并通過LS-DYNA進行數(shù)值模擬對比分析[10]，本裝置能提供的爆炸荷載加載速率高、構(gòu)造簡單、實驗便捷等性能多目標的優(yōu)化了實驗裝置，供給各界工程技術(shù)、軍事技術(shù)和科學(xué)研究的專家學(xué)者可靠的實驗數(shù)據(jù)[11-14]。

1 實驗原理及裝置

1.1 實驗原理

結(jié)構(gòu)物在爆炸荷載下的動態(tài)響應(yīng)與靜態(tài)響應(yīng)實際上包含了介質(zhì)質(zhì)點的慣性效應(yīng)(波傳播)和材料本構(gòu)關(guān)系的應(yīng)變率效應(yīng)。就研究材料的動態(tài)力學(xué)性能而言，研究的目的只是研究材料的應(yīng)變率效應(yīng)。在應(yīng)力波的傳播分析中，材料動態(tài)本構(gòu)方程(材料動態(tài)力學(xué)行為)是建立整個問題基本控制方程組所不可缺少的組成部分;換言之，波傳播的研究是以材料動態(tài)本構(gòu)關(guān)系已知為前提的;而另一方面，在進行材料高應(yīng)變率下動態(tài)本構(gòu)關(guān)系試驗研究時，一般又必須考慮試驗裝置和試件中的應(yīng)力波傳播及相互作用，換言之，在材料動態(tài)響應(yīng)研究中又要依靠所試驗材料中應(yīng)力波傳播的知識來分析。

平面爆炸波實驗裝置結(jié)構(gòu)由能量釋放(引爆)裝置、平面應(yīng)力波傳遞裝置(導(dǎo)波管)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及能量耗損裝置(試件安裝節(jié)段)四部分組成(實驗裝置見圖1)，當(dāng)炸藥一經(jīng)引爆極速產(chǎn)生高壓應(yīng)力波，經(jīng)網(wǎng)狀格柵濾波、導(dǎo)波管的多次反射，形成一維的平面應(yīng)力波；迅速推動帶有電阻應(yīng)變計的鋼墊塊，將應(yīng)力波傳遞給材料試件，由于試件材料和鋼墊塊的慣性效應(yīng)，整個試件將被壓縮。沖擊波作用在貼有電阻應(yīng)變的鋼墊塊上，沖擊波將被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以數(shù)據(jù)的形式被保存，從而測得材料的變形和破壞情況，獲得材料的動態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)。

圖 1 平面爆炸波加載裝置Fig. 1 Planar explosive wave loading device

平面爆炸波試驗加載裝置采用串聯(lián)雷管同步引爆網(wǎng)狀導(dǎo)爆索，并經(jīng)導(dǎo)波管調(diào)節(jié)獲得平面爆炸波對混凝土試件進行均勻加載。已有研究表明采用網(wǎng)狀格柵濾波，經(jīng)一定距離后通過沖擊板對試件進行加載，能達到均勻加載效果。本試驗裝置采用多點同步起爆和上球鉸支座對試件進行沖擊加載。平面爆炸波加載試驗可獲得與爆炸試驗一致的加載速率，可用來研究試件在很高應(yīng)變率加載時的性能。依據(jù)一維應(yīng)力波理論，就可以方便地得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。但是要得到有效并精準的數(shù)據(jù)，下列平面應(yīng)力波的假設(shè)需滿足：

1)爆炸波經(jīng)網(wǎng)狀格柵濾波及導(dǎo)播管多次反射最終作用在試件上的應(yīng)力波是一維的，因為壓力傳感器應(yīng)變片所測得的應(yīng)變通常代表橫截面的軸向應(yīng)變。

2)試件中的應(yīng)力應(yīng)變處于均勻狀態(tài)。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本裝置采用壓電式傳感器計安裝于軸向爆炸室底蓋上，結(jié)合INV3062T2動態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀、INV1861A應(yīng)變調(diào)理儀及COINV DASP V11軟件系統(tǒng)組成。爆炸/沖擊荷載以載荷作用的短歷時為其特征，在以毫秒(ms)、微秒(μs)甚至納秒(ns)計的短暫時間尺度上發(fā)生了運動參量(位移、速度、加速度)的顯著變化。在這樣的動載荷條件，介質(zhì)的微元體處于隨時間迅速變化著的動態(tài)過程中，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能[15,16]。

INV3062T2適合分布式、多測點、遠距離或無線傳輸?shù)恼駝印⒃肼?、沖擊、應(yīng)變、壓力、電壓等各種物理量信號采集，其采集頻率可達51.2 kHz；與DASP軟件相連形成具有一百余項先進技術(shù)的高性能數(shù)據(jù)采集和信號處理系統(tǒng)。

INV1861A便攜式8通道應(yīng)變調(diào)理器，機內(nèi)含電源轉(zhuǎn)換、橋壓供給、信號放大、低通濾波、預(yù)平衡、程序控制、電壓輸出等單元，可以將微弱的應(yīng)變信號進行放大、處理后為后續(xù)分析、記錄設(shè)備提供合格的電壓信號。可廣泛應(yīng)用于鐵路公路橋梁檢測、地基沉陷、土壓測量及大型工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、載荷、位移等測量。

DASP平臺軟件是由動態(tài)測試和信號分析軟件組成的，其中包括信號示波和采集、信號發(fā)生和DA輸出、基本信號分析等方面的幾十個測試分析模塊，不同的平臺軟件包含不同的模塊組合，在采樣過程中主要分為三種方式：示波，超大容量連續(xù)采樣，三思維采樣(可一邊采樣、一邊示波、一邊進行頻譜分析，示波采樣分析同時進行)。

為驗證研究平面爆炸波一維平面效果，本實驗采用壓電式傳感器分別測量分布在爆炸室底蓋上圓心、半徑為100 mm、及半徑為150 mm處的爆炸沖擊波壓力，其測點布置如圖2。

圖 2 爆炸沖擊波測點布置Fig. 2 Arrangement of blast shock wave measuring points

2 實驗研究及結(jié)果

實驗采用平面爆炸波加載裝置，測試分別在不同炸藥當(dāng)量(15.99 g、23.99 g、31.99 g)加載下產(chǎn)生的沖擊波壓力(實驗現(xiàn)場圖片見圖3)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、動態(tài)測試和信號分析軟件分析，得到實驗數(shù)據(jù)，在不同炸藥當(dāng)量下的爆炸沖擊波壓力時程曲線如圖4。

圖 3 實驗現(xiàn)場Fig. 3 Experimental site under different explosive equivalents

圖 4 不同炸藥當(dāng)量下爆炸沖擊波實驗壓力時程曲線Fig. 4 Time history curve of experimental pressure of blast wave

3 LS-DYNA數(shù)值分析

LS-DYNA是眾所周知進行顯示動力分析的有限元程序，可以準確可靠地進行爆炸分析、碰撞分析等高度非線性問題[17]；在離散單元的方法上針對連續(xù)介質(zhì)單元發(fā)展了有限單元法、有限體積法、有限差分法，在針對工程中的混凝土、裂縫巖石等非連續(xù)介質(zhì)的時候發(fā)展了離散元方法、有限塊體法、數(shù)值流形法來研究此類問題，在采用坐標系統(tǒng)分析的現(xiàn)階段主要是任意拉格朗日法、歐拉方法(ALE)和耦合拉格朗日、歐拉方法(CLE)以及近年來在爆炸分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的光滑質(zhì)點動力學(xué)法(SPH)[18-22]，可以更簡單實現(xiàn)復(fù)雜的本構(gòu)行為，更精準地分析材料在爆炸荷載作用下的材料破壞計算。

本實驗數(shù)值模擬分析使用ANSYS前處理器前進行指定單元屬性、實常數(shù)、定義材料模型、建立幾何模型、劃分網(wǎng)格、生成PART、定義接觸、施加荷載與邊界條件等前處理；修改關(guān)鍵字文件并將其遞交LS-DYNA求解器中求解，在求解完成后，LS-DYNA會輸出D3PLOT以及D3THTD兩種文件結(jié)果分析文件，最后應(yīng)用LS-PREPOST后處理器進行結(jié)果分析。

3.1 幾何模型

研究建立平面爆炸波實驗的1/4計算模型如圖5所示，平面爆炸波加載裝置幾何模型如圖6所示，采用關(guān)鍵(*BOUNDARY_SPC_SET)在模型對稱面上施加面約束，采用SOLID164實體單元對鋼性墊板、SFRC紡錘體試件進行單元離散，尺寸為2 mm,采用單點高斯積分拉格朗日算法，單點積分的顯示單元能很好地應(yīng)用于爆炸事件引起的大變形、材料失效和接觸等高精度非線性問題[23,24]。

圖 5 1/4 LS-DYNA計算模型Fig. 5 /4 LS-DYNA calculation model

圖 6 平面爆炸波加載裝置幾何模型Fig. 6 Geometric model of plane explosive wave loading device

3.2 LS-DYNA算法介紹

LS-DYNA 是眾所周知進行顯示動力分析的有限元程序，可以準確可靠地進行爆炸分析、碰撞分析等高度非線性問題；在離散單元的方法上針對連續(xù)介質(zhì)單元發(fā)展了有限單元法、有限體積法、有限差分法，在針對工程中的混凝土、裂縫巖石等非連續(xù)介質(zhì)的時候發(fā)展了離散元方法、有限塊體法、數(shù)值流形法來研究此類問題，在采用坐標系統(tǒng)分析的現(xiàn)階段主要是任意拉格朗日法、歐拉方法(ALE)和耦合拉格朗日、歐拉方法(CLE)、以及近年來在爆炸分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的光滑質(zhì)點動力學(xué)法(SPH)，可以更簡單實現(xiàn)復(fù)雜的本構(gòu)行為，更精準地分析材料在爆炸荷載作用下的材料破壞計算[25,26]。

3.2.1 TNT炸藥材料模型

TNT炸藥采用高能炸藥材料模型(*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN),并聯(lián)立*EOS_JWL狀態(tài)方程。炸藥材料參數(shù)見表1。

表 1 炸藥材料參數(shù)Table 1 Explosive material parameters

表中：ρ為質(zhì)量密度，VD為爆炸速度，PCJ為Chapman-Jouget壓力。

JWL狀態(tài)方程定義壓力為

(1)

TNT炸藥的狀態(tài)方程參數(shù)取值見表2。

表 2 TNT炸藥狀態(tài)方程參數(shù)Table 2 Equation of state parameters of TNT explosive

3.2.2 空氣材料模型

模擬中導(dǎo)波管內(nèi)爆炸室空氣域材料模型采用*MAT_NULL,耦合*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程，該狀態(tài)方程用來定義空氣等流體材料模型，需要輸入得參數(shù)包括：密度、彈性模量、泊松比、壓力截斷值(小于0.0)、動力粘性系數(shù)、擴張侵蝕過程得相對體積(取0表示忽略)、壓縮侵蝕過程得相對體積(取0表示忽略)狀態(tài)方程的系數(shù)C0到C6、初始內(nèi)部能量及初始相對體積；空氣材料模型參數(shù)見表3。

表 3 空氣材料模型參數(shù)Table 3 Air material model parameters

3.3 LS-DYNA模擬結(jié)果

本實驗?zāi)M采用LS-DYNA數(shù)值分析軟件模擬平面爆炸波加載裝置，研究在不同炸藥當(dāng)量(15.99 g、23.99 g、31.99 g)加載下產(chǎn)生的沖擊波壓力，經(jīng)LS-DYNA求解器中求解，在求解完成后，LS-DYNA會輸出D3PLOT以及D3THTD兩種文件結(jié)果分析文件，最后應(yīng)用LS-PREPOST后處理器進行結(jié)果分析；在不同炸藥當(dāng)量下的爆炸沖擊波模擬壓力時程曲線如圖7。

圖 7 不同炸藥當(dāng)量下爆炸沖擊波模擬壓力時程曲線Fig. 7 Time history curve of simulated blast wave pressure under different explosive equivalents

3.4 模擬、實驗結(jié)果對比分析

通過平面爆炸波加載實驗以及利用LS-DYNA對平面爆炸波數(shù)值模擬分析，分別在不同的炸藥當(dāng)量下進行對比分析，對比結(jié)果如圖8。

圖 8 不同炸藥當(dāng)量下爆炸沖擊波實驗與模擬壓力時程曲線對比分析Fig. 8 Comparison and analysis of experimental and simulated pressure time history curves of blast wave under different explosive equivalents

4 結(jié)論

本文采用平面爆炸波加載裝置，對爆炸沖擊波進行了實驗研究和數(shù)值模擬分析。本設(shè)計裝置可以用來進行材料在極端爆炸荷載下材料的抗爆吸能性能測試，能夠提供高應(yīng)變率荷載加載的各項實驗測試，將實驗裝置優(yōu)化得更為便捷，高效，精準。

結(jié)果表明：平面爆炸波加載裝置在不同應(yīng)變率(不同炸藥當(dāng)量)加載下的實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬分析數(shù)據(jù)吻合良好，靈敏度高；平面爆炸波加載裝置具有以下優(yōu)點：

(1)平面爆炸波加載裝置結(jié)構(gòu)簡單，模塊化設(shè)計方便安裝，實用性強；

(2)采用炸藥直接作為加載材料，提供更加真實，極端的高應(yīng)變率加載環(huán)境；

此外，可應(yīng)用于爆炸沖擊的傳播、衰減等分析，及建筑工程材料的抗爆、吸能性能以及軍事防御工程中的材料性能研究。